DE19959539A1 - Bildaufnehmer - Google Patents
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Abstract
Seit neuerem werden sogenannte CMOS-Bildsensoren als Bildaufnehmer zunehmend in Unterhaltungselektronikgeräten eingesetzt. Diese Bildsensoren bieten den Vorteil, daß sie besonders hoch integriert werden können und daß mit ihnen auf einem Chip auch andere Komponenten integriert werden können. Bekannt geworden ist z. B. die Mitintegration eines auf einer Bildpunktebene arbeitenden A/D-Wandlers. Die Erfindung stellt eine alternative Ausführungsform eines solchen Bildaufnehmers mit mitintegriertem A/D-Wandler zur Verfügung. Gemäß der Erfindung wird pro lichtempfindlichem Element (11) ein Komparator (113) mitintegriert, dem an seinem einen Eingang der Analogwert des Lichtsensors (111) zugeführt ist und an seinem anderen Eingang ein Rampensignal zugeführt wird. Der Ausgang des Komparators (113) ist an einen Triggereingang eines N-Bit-breiten Registers (14) geführt. Der Ausgangsimpuls des Komparators veranlaßt das Register (14) zur Zwischenspeicherung des Momentanwertes des Rampensignals in digitaler Form. Das Rampensignal ist so erzeugt, daß es in feinen Schritten inkrementiert wird bis zu einem Maximalwert entsprechend der gewünschten Bitauflösung für die A/D-Umwandlung. Der zwischengespeicherte Momentanwert des Rampensignals entspricht dann dem umgesetzten Analogwert des Lichtsensors (111). Diese Lösung bietet den Vorteil, daß für die Erzeugung des Rampensignals nur ein Takt mit niedriger Taktfrequenz benötigt wird. Weiterhin kann die Lösung einfach auf einem Chip ...
Description
Die Erfindung betrifft einen Bildaufnehmer, der z. B. in
Videokameras, Digitalkameras, etc. eingesetzt werden kann.
Mit Digitalkameras sind hier Geräte der digitalen
Photographie gemeint.
Bildaufnehmer bestehend aus einem Halbleiter-Bildsensor sind
aus dem Stand der Technik schon seit längerem bekannt. Die
ersten Halbleiter-Bildsensoren betrafen sogenannte CCD-
Arrays (Charge Coupled Device), die nach dem sogenannten
Eimerkettenprinzip arbeiten. CCD-Arrays werden zwar auch auf
Silicium-Wafern hergestellt, erfordern aber eine spezielle
Technologie, die es erschwert andere Komponenten auf dem
gleichen Chip zu integrieren. Deshalb wird bei diesen
Bildaufnehmern die Umsetzung der von den lichtempfindlichen
Elementen gesammelten Ladung in einen digitalen Wert
außerhalb des Arrays vorgenommen, mit einem schnellen A/D-
Wandler.
Seit Neuem werden auch in Unterhaltungselektronikgeräten
sogenannte CMOS-Bildsensoren eingesetzt. Mit ihnen sind
einige bedeutende Vorteile verbunden. Die CMOS-Chip
Technologie ist weit verbreitet. Das ermöglicht es CMOS-
Bildsensoren auf den gleichen Produktionsstrecken
herzustellen, wie beispielsweise auch CMOS-Speicherbausteine
oder CPUs. Nur geringe Umstellung der Produktionsstrecken
sind erforderlich. Außerdem bieten die CMOS-Bildsensoren die
Möglichkeit, daß sie mit anderen Schalteinheiten auf einem
Chip integriert werden können. Bereits realisiert ist z. B.
die Integration des A/D-Wandlers mit dem CMOS-Bildsensor auf
einem Chip. Angedacht sind aber auch die Integration von
Bildoptimierungskomponenten sowie Einheiten zur
Bildkompression.
Einen Überblick über den Stand der Technik bei CMOS-
Bildsensoren findet sich in dem Artikel "A Nyquist-Rate
Pixel-Level ADC for CMOS Image Sensors" in IEEE journal of
Solid-State Circuits, Volume 34, No. 3, März 1999, Seiten
348-356. In diesem Dokument wird ein CMOS-Bildsensor
beschrieben, der pro Bildpunkt ebenfalls einen A/D-Wandler
mitintegriert enthält. Der prinzipielle Aufbau für jedes
Bildpunktelement ist dabei so, daß die von dem
lichtempfindlichen Element gespeicherte Ladung auf einen
Eingang eines Komparators gelegt wird. An den anderen
Eingang des Komparators wird ein Rampensignal geführt. Das
Rampensignal entspricht einem Treppensignal, steigt also
stetig an in einer Anzahl von Inkrementen. Dem Komparator
nachgeschaltet ist ein D-Flip-Flop. An den D-Eingang des
Flip-Flops ist ein von dem Rampensignal abgeleitetes
Taktsignal gelegt. Der Ausgang des Komparators ist mit dem
Trigger-Eingang G des Flip-Flops verbunden. Das vom
Rampensignal abgeleitete Taktsignal ändert jeweils seinen
logischen Zustand, wenn ein Inkrement zum Rampensignal
hinzugefügt wird. Der Q-Ausgang des Flip-Flops stellt den
Digital-Ausgang der Anordnung dar. Mit dieser Anordnung wird
der am Komparator anstehende Analogwert bitseriell in einen
digitalen Wert umgewandelt. Bei dieser Lösung muß pro
umzuwandelndes Bit das Rampensignal neu gestartet werden.
Will man z. B. eine Umwandlung des gespeicherten Analogwert
mit m-bit Auflösung erreichen, so sind wenigstens 2m-1
Durchläufe erforderlich.
Das ist ein beträchtlicher Aufwand und ausgehend von diesem
Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung den Aufwand
für mit CMOS-Bildsensoren mitintegrierten A/D-Wandlern zu
verringern.
Die gestellte Aufgabe wird durch die Merkmale des
unabhängigen Anspruchs 1 gelöst.
Bei dem erfindungsgemäßen Bildaufnehmer sind ebenfalls
Mittel zur Umsetzung des in einem lichtempfindlichen Element
gespeicherten Analogwertes in einen Digitalwert
mitintegriert, wobei diese Mittel verteilt sein können,
einmal auf die Sensormatrix selber und zum anderen auf die
Peripherie der Sensormatrix. Und zwar ist pro
lichtempfindlichem Element ein Komparator vorgesehen, dem an
einem Eingang der Analogwert zugeführt ist und an dem
anderen Eingang ein Rampensignal. Im Unterschied zu der
bekannten Lösung ist der Ausgang des Komparators an einen
Triggereingang eines N-Bit-breiten Registers geführt, wobei
N eine natürliche Zahl ≧ 2 ist. Die Zahl N entspricht der
Anzahl der Bits des zu erzeugenden Digitalwertes. Der
Ausgangsimpuls des Komparators veranlaßt das Register zur
Zwischenspeicherung des Momentanwertes des Rampensignals in
digitaler Form. Bei dieser Lösung ist das Rampensignal daher
so gebildet, daß es direkt den umzuwandelnden Digitalwert
wiederspiegelt. Die Lösung bietet den Vorteil, daß das
Rampensignal pro Umsetzung nur einmal erzeugt werden muß,
unabhängig von der gewünschten Bit-Auflösung. Ein
zusätzliches Flip-Flop braucht nicht pro Bildpunkt in dem
Bildaufnehmer vorgesehen sein.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten
Maßnahmen sind weitere Vorteile und Verbesserungen möglich.
Bei einer matrixförmigen Anordnung der lichtempfindlichen
Elemente kann eine zeilen- oder spaltenweise Addressierung
erfolgen, derart, daß die Umsetzung der Analogwerte
zeilenweise oder spaltenweise erfolgt, wobei dann nur
soviele N-Bit-breite-Register parallel angeordnet werden
müssen, wie lichtempfindliche Elemente in einer Zeile oder
Spalte vorgesehen sind. Dadurch ist der Integrationsaufwand
reduziert und es müssen nur relativ wenige N-bit-Register
vorgesehen werden.
Im Zusammenhang mit der zeilenweisen- oder spaltenweisen
Realisierung bzw. Umsetzung ist es vorteilhaft, wenn das
Rampensignal zyklisch neu gestartet wird, jeweils für die
Umsetzung der Analogwerte einer Zeile oder Spalte.
Das Rampensignal soll so aufgebaut werden, daß es zu jedem
Zeitpunkt den Digitalwert widerspiegelt. Dies ist einfach
realisierbar. Dazu muß lediglich der ganze
Analogmeßwertbereich von dem Rampensignal erfaßt werden und
die Anzahl der Inkremente muß zu der gewünschten
Bitauflösung korrespondieren. Soll z. B. eine 8-bit-Auflösung
erreicht werden, so muß das Rampensignal von 0-255
inkrementiert werden und bei dem maximal möglichen Wert 255
das Maximum des Analogmeßwertbereichs erreicht sein.
Vorteilhaft ist in diesem Zusammenhang, wenn die Inkremente
des Rampensignals variabel sind, insbesondere in einem
ersten Bereich kleiner als in einem zweiten Bereich. Das
Umsetzverhalten kann so an das Verhalten des menschlichen
Auges angepaßt werden. Das menschliche Auge spricht nämlich
weniger empfindlich auf Helligkeitsänderungen an, wenn eine
gewisse Grundhelligkeit überschritten ist. Im unteren
Helligkeitsbereich wäre so eine feinere Auflösung erreicht.
Weiterhin vorteilhaft ist, wenn noch ein Schieberegister
vorgesehen ist, in das die Einträge der parallel
angeordneten N-Bit-breiten Register nach Beendigung eines
Rampensignalzyklusses kopiert werden. Das schnelle
Umkopieren der Registerinhalte in ein Schieberegister
schafft wieder Freiraum in den Registern für die Umsetzung
der Analogwerte der nächsten Zeile oder Spalte. Die in das
Schieberegister übernommenen Werte können dann der Reihe
nach ausgelesen werden und in einen konventionellen Ram-
Speicher oder auch einen speziellen Bildspeicher
eingeschrieben werden. Dies kann dann innerhalb des nächsten
Rampensignalzyklusses erfolgen und parallel mit der
Umsetzung der nächsten Zeile oder Spalte vonstatten gehen.
Das Rampensignal wird vorteilhafterweise in einem Zähler mit
nachgeschaltetem D/A-Wandler erzeugt. Für diese Lösung ist
es dann von Vorteil, wenn der jeweilige Zählerstand des
Zählers an die Eingänge der für die A/D-Umsetzung
erforderlichen Register geführt ist. Das Ausgangssignal des
Komparators erzeugt den Schreibimpuls für ein Register und
das Register übernimmt so den an den Eingängen anstehenden
aktuellen Zählerstand.
Für den Fall daß der Bildaufnehmer für die Erzeugung von
Videobildern verwendet werden soll, so ist es vorteilhaft,
daß die Umsetzung der Analogwerte zeilenweise erfolgt und
der Zyklus des Rampensignals zu der Dauer einer Videozeile
korrespondiert.
Der erfindungsgemäße Bildaufnehmer wird vorteilhafterweise
in CMOS-Chip-Technologie hergestellt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen
dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein prinzipielles Blockschaltbild einer
Digitalkamera;
Fig. 2 ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen
Bildaufnehmers;
Fig. 3 die pro Bildpunkt vorzusehenden Komponenten des
erfindungsgemäßen Bildaufnehmers;
Fig. 4 ein Blockschaltbild einer
Rampensignalerzeugungsvorrichtung und
Fig. 5 das Rampensignal und die zugehörigen Taktsignale.
Die Erfindung wird am Beispiel einer Digitalkamera
erläutert. Mit solchen Geräten werden Standbilder (Fotos)
direkt in digitaler Form aufgenommen. Fig. 1 zeigt ein
vereinfachtes Blockschaltbild eines solchen Gerätes. Die
optischen Komponenten der Digitalkamera sind in Fig. 1
weggelassen worden. Dazu gehören insbesondere Objektiv,
Blende, Verschluß sowie auch sämtliche zugehörigen
elektronischen Hilfsmittel, wie z. B. Autofokussystem, Zeit-
und Blendenautomatik, Blitzlichterzeugung, usw. Auch ein
vorhandenes Computerinterface wurde nicht dargestellt. Mit
der Bezugszahl 10 ist ein CMOS-Bildaufnehmer bezeichnet.
Dessen Aufbau wird nachfolgend noch genau erläutert. Der
CMOS-Bildaufnehmer 10 ist über ein Daten-, Adreß- und
Steuerbus 40 mit einem Mikroprozessor 20 verbunden. An dem
Daten-, Adreß- und Steuerbus 40 ist auch ein Ram-Speicher 30
angeschlossen. Die aufgenommenen Bilder werden in diesem
Ram-Speicher abgelegt und können von dort über das schon
erwähnte Computerinterface auf einen Personal Computer
übertragen werden oder auch auf einen Drucker übertragen
werden, mit dem die Bilder ausgedruckt werden können. Den
Abtransport der Daten des CMOS-Bildaufnehmers 10 zum Ram-
Speicher 30 steuert der Mikroprozessor 20. Dieser kann auch
gleichzeitig bei entsprechender Auslegung weitere
Steuerungsaufgaben innerhalb der Digitalkamera übernehmen.
Als Beispiel wird die schon erwähnte Zeit- und
Blendenautomatik, sowie das Autofocussystem und die
Blitzlichtsteuerung sowie insgesamt die Bearbeitung der über
vorhandene Tasten eingegebene Benutzerbefehle erwähnt.
Nachfolgend wird der Aufbau des CMOS-Bildaufnehmers 10
anhand der Fig. 2 erläutert. Der Bildaufnehmer 10 besteht
aus einer Matrix von lichtempfindlichen Cemos-Lichtsensoren
11. Diese CMOS-Lichtsensoren 11 sind in der Fig. 2 jeweils
als separater Block dargestellt. Dies soll andeuten, daß
nicht nur der CMOS-Lichtsensor allein in dem jeweilligen
Block angeordnet ist, sondern auch noch weitere Komponenten,
die für die A/D-Wandlung wichtig sind, was nachfolgend noch
näher erläutert wird. Jedes lichtempfindliche Element
detektiert das Licht für einen einzelnen Bildpunkt des
aufzunehmenden Bildes. Es ist daher erwünscht möglichst
viele CMOS-Lichtsensoren in der Matrix anzuordnen. CMOS-
Bildaufnehmer mit mehr als einer Million Lichtsensoren sind
bereits heute hergestellt worden.
Wenn Farbbilder aufgenommen werden sollen, ist es
erforderlich, die 3 Grundfarben RGB jeweils separat
aufzunehmen. Dies kann beispielsweise so geschehen, daß 3
verschiedene CMOS-Bildsensoren 10 in der Kamera angeordnet
sind, denen jeweils das farbgefilterte Licht zugeführt ist.
Am Aufbauprinzip der CMOS-Bildsensoren 10 ändert sich bei
den 3 verschiedenen Bildaufnehmern aber nichts.
Zum Auslesen der nach Belichtung des Bildaufnehmers in den
Lichtsensoren 11 gespeicherten Ladungsmenge ist in Fig. 2
ein Zeilenselektor 12 vorgesehen. Damit werden die
Bildzeilen einzeln ausgewählt. Eine entsprechende
Steuerleitung pro Bildzeile ist in Fig. 2 zu jedem
Lichtsensor 11 einer Bildzeile geführt. Diese
Steuerleitungen sind mit der Bezugszahl 17 bezeichnet.
Innerhalb jeder lichtempfindlichen Zelle 11 dient das
Zeilenauswahlsignal zur Freischaltung der jeweiligen
Ausgangsleitung 18. Die Anordnung ist in dem Beispiel von
Fig. 2 so gewählt, daß die Ausgangsleitungen der
Lichtsensoren 11 einer Spalte alle zusammengeschaltet sind
und über eine einzige Ausgangsleitung aus der Aufnahmematrix
herausgeführt sind. Das Zeilenauswahlsignal legt fest,
welche der Lichtsensoren 11 einer Spalte an die gemeinsame
Ausgangsleitung 18 angeschlossen wird. So ist
sichergestellt, daß die Lichtsensoren 11 einer Bildzeile alle
einzeln ausgewertet werden können. Dazu ist am Ausgang der
Lichtsensoren-Matrix ein Registerblock 15 vorgesehen. In
diesem Registerblock 15 sind soviele Register 14 parallel
angeordnet, wie Lichtsensoren 11 in einer Bildzeile
vorhanden sind. Die Ausgangsleitungen 18 sind jeweils auf
einen Steuereingang des zugehörigen Registers 14 geführt.
Zwischen Register und Ausgangsleitung 18 kann jeweils noch
eine Verstärkerstufe vorgesehen sein zur Signalaufbereitung.
Der Registerblock 15 wird außerdem noch mit 2 Taktsignalen,
von denen eines als Rücksetzsignal R bezeichnet ist,
versorgt. Eine Besonderheit besteht noch darin, daß die
Dateneingänge der Register 14 mit Datenausgängen einer
Rampensignal - Erzeugungseinheit 13 verbunden sind. Das
heißt, daß sämtliche Register 14 die gleichen
Dateneingangswerte erhalten. Darauf wird nachfolgend noch
näher eingegangen.
Die Rampensignalerzeugungseinrichtung 13 besitzt separate
Ausgänge für jede Bildzeile. Ein Rampensignal wird jeweils
nur für die ausgewählte Bildzeile erzeugt. Für die
Rampensignalerzeugung ist dieser Einrichtung ein Taktsignal
und ein Rücksetzsignal zugeführt. Die
Rampensignalausgangsleitungen sind mit der Bezugszahl 19
bezeichnet.
Neben dem Registerblock 15 ist noch ein Schieberegister 16
angeordnet. Dieses dient zur Übernahme der Einträge in den
einzelnen Registern 14. Somit sind die Datenausgänge jedes
Registers 14 mit den entsprechenden Paralleleingängen des
Schieberegisters 16 verbunden. Die Übernahme der
Registerwerte geschieht am Ende eines Rampensignalzyklusses
was später noch genauer erläutert wird. Sind die Daten in
das Schieberegister 16 übernommen, können diese über den
Busanschluß 40 in den Ram-Speicherblock 30 transferiert
werden. Dies geschieht dann durch entsprechend viele
Schiebeoperationen, wie Datenworte im Schieberegister 16
gespeichert sind. Vorzugsweise ist das Schieberegister 16
als Barrel-Shifter ausgelegt, bei dem innerhalb eines
Taktzyklusses eine Verschiebung um mehr als einem Bit
geschieht. Da immer die Registerworte einzeln ausgelesen
werden sollen, sollte die Verschiebung pro Taktzyklus um
soviele Bits erfolgen, wie das Registerwort breit ist. Bei
einer Registerbreite von 8 Bit, also jeweils eine
Verschiebung von 8 Bit pro Taktzyklus.
Für die Erläuterung der Funktionsweise des beschriebenen
CMOS-Bildaufnehmers 10 ist es von Vorteil, wenn der Aufbau
eines Lichtsensors 11 und der Aufbau der
Rampensignalerzeugungseinheit 10 zuvor erläutert wird.
In der Fig. 3 ist der Aufbau jeder lichtempfindlichen Zelle
11 dargestellt. Das lichtempfindliche Element ist mit der
Bezugszahl 111 bezeichnet. In diesem Fall ist als
lichtempfindliches Element eine Fotodiode gewählt. Der
Fotodiode nachgeschaltet ist ein Verstärkungstransistor 112.
Dieser verstärkt die von der Fotodiode erzeugte und in einer
nicht dargestellten Kapazität gespeicherte Ladung. Das so
verstärkte Signal wird an einen Eingang eines Komporators
113 geführt. Der Komporator 113 ist z. B. als Schnitt-Trigger
ausgebildet damit ein sehr schnelles Schalten gewährleistet
ist. An dem weiteren Eingang des Komparators 113 ist das
Rampensignal gelegt. Zwischen Ausgang des Komparators 113
und Ausgang der lichtempfindlichen Zelle 11 ist noch ein
Schalter 114 vorgesehen, der beispielhaft als Tristate-
Treiber ausgeführt sein kann. Der Schalter 114 wird über die
Zeilenauswahlsteuerleitung 17 angesteuert.
Das Rampensignal ist beispielhaft in Fig. 5 dargestellt. Bei
dem dort gezeigtem Beispiel handelt es sich um ein
Rampensignal, das in 16 Schritten inkrementiert wird. Das
Taktsignal, das die Inkrementierung steuert, ist direkt
unterhalb des Rampensignals dargestellt. Jeweils nach dem
16. Inkrementierungsschritt wird das Rampensignal auf Null
zurückgesetzt, was durch ein Rücksetzsignal R gesteuert
wird. Das Rücksetzsignal kann von dem Taktsignal abgeleitet
sein.
Das Rampensignal wird am einfachsten mit Hilfe eines Zählers
und eines nachgeschalteten D/A-Wandlers erzeugt. Dies ist in
Fig. 4 dargestellt. Die Bezugszahl 131 bezeichnet den
Zähler. Der jeweils aktuelle Zählerstand ist an einen D/A-
Wandler 132 angelegt. Dieser wandelt den Zählerstand in ein
entsprechendes Analogsignal um. Das Analogsignal geht dann
an eine Demultiplex-Einrichtung 133. Dort wird es auf einen
der Ausgänge 19 geleitet. Der Demultiplexer 133 erhält als
Takteingang den Rücksetzimpuls, wodurch das Rampensignal an
den Ausgang 19 für die nächste Bildzeile angelegt wird.
Wichtig ist noch, daß der aktuelle Zählerstand ebenfalls
auch aus der Rampensignalerzeugungseinrichtung 13
herausgeführt ist. Wie zuvor erläutert, wird der Zählerstand
an die Dateneingänge der Register 14 in dem Registerblock 15
des CMOS-Bildaufnehmers 10 gelegt.
Die Funktionsweise des Bildaufnehmers ist jetzt wie folgt:
Nach Belichtung werden die lichtempfindlichen Zellen 11
zeilenweise A/D-gewandelt und ausgelesen. An alle Zellen
einer selektierten Bildzeile ist das Rampensignal synchron
mit dem Rücksetzimpuls angelegt. Das Rampensignal beginnt
bei dem Wert 0 und wird dann in 16 Schritten bis zum Wert 16
erhöht. Während dieses Zyklusses vergleicht der Komporator
113 die beiden Eingänge miteinander. Eine Signalflanke wird
erzeugt und über den Ausgang 18 zu dem Steuereingang des
betreffenden Registers 14 geleitet, wenn das Rampensignal
den am anderen Eingang anstehenden Analogwert überschreitet.
Dies veranlaßt das Register 14 zur sofortigen
Zwischenspeicherung des aktuellen Zählerstandes von dem
Zähler 131. In Fig. 5 ist durch gestrichelte Linie ein
Beispiel eines anstehenden Analogwertes angedeutet. Dieser
Wert wird erst nach dem 11. Inkrementierungsschritt
überschritten. Es wird also in dem zugehörigem Register 14
als aktueller Zählerstand der Wert 11 abgelegt. Bei dieser
Methode besteht ein Problem darin, daß der Zählerstand 0
nicht erfaßt wird. Das liegt daran, weil der Analogwert erst
nach dem ersten Inkrement überschritten werden kann, wonach
der Zählerstand aber schon den Wert 1 aufweist. Bei der hier
gezeigten Lösung wird deshalb statt eines an sich lediglich
erforderlichen 4-Bit-Zählers für die Werte 0-15 ein 5-Bit-
Zähler verwendet, der aber nur von 0-16 gezählt wird und
dann durch den Rücksetzimpuls auf Null zurückgesetzt wird.
Vereinbart wird dann, daß wenn der Zählerstand 1 in einem
Register zwischengespeichert wurde, diesem Wert anschließend
der Wert Null zugeordnet wird und beispielsweise, wenn der
Wert 16 zwischengespeichert wurde, diesem Wert der Wert 15
zugeordnet wird. Dies kann einfach dadurch geschehen, daß
der Mikroprozessor 20 jeden aus dem Schieberegister 16
ausgelesenen Wert um 1 verringert und dann in dieser Form in
den Ram-Speicher 30 ablegt. Natürlich sind auch andere
Lösungen für dieses Problem anwendbar.
Für die digitale Photographie ist eine 4-Bit-Auflösung bei
der A/D-Wandlung nicht ausreichend. Hier kommen eher
Auflösungen in der Größenordnung von 10 Bit in Frage. Das
bedeutet, daß die Register 14 mindestens eine Breite von 10
Bit aufweisen müssen und der Zähler 131 mindestens als 10-
Bit-Zähler ausgelegt sein muß. Das Rampensignal würde dann
mindestens von 0-1023 inkrementiert. Wird die gleiche Lösung
verwendet, wie zuvor beschrieben, würde das Rampensignal von
0-1024 gezählt und ein 11-Bit-Zähler verwendet sowie 11-Bit
breite Register 14. Auch das Schieberegister 16 muß
dementsprechend angepaßt sein.
Das Taktsignal für die Rampensignalerzeugung muß bei der
Anwendung einer Digitalkamera nicht besonders hoch sein, da
nicht unbedingt mehrere Bilder pro Sekunde aufzunehmen sind.
Hier sehen die Anforderungen für den Fall, daß der
erfindungsgemäße Bildaufnehmer auch in einer Videokamera
eingesetzt werden soll anders aus. Für diese Anwendung
reicht allerdings eine A/D-Umwandlung mit 8-Bit-Auflösung
aus. Werden die lichtempfindlichen Zellen ebenfalls
zeilenweise ausgelesen, so besteht folgende Anforderung für
das Taktsignal. Bei 8-Bit-Auflösung und einer
Videozeilenlänge von 64 µs ergibt sich eine Taktfrequenz von
256 × 1/64 µs, was zu einer Taktfrequenz von 4 MHz führt.
Aber dies ist für die heutige Technologie kein Problem, es
handelt sich eher um eine relativ geringe Taktfrequenz
verglichen mit den bei heutigen Mikroprozessoren üblichen
Taktfrequenzen. In Videokameras wird ein Bild nach dem
bekannten Zeilensprungverfahren abgetastet. Dies erfordert,
daß der Zeilenselektor 12 entsprechend ausgelegt sein muß.
Und zwar muß der Zeilenselektor 12 bei Eintreffen eines
Rücksetzsignals jeweils die übernächste Zeile auswählen,
wenn die umgewandelten Daten direkt in einen
Halbbildspeicher übertragen werden sollen. Zusätzlich muß
noch sicher gestellt sein, daß bei Ende eines Halbbildes zu
der entsprechend versetzt angeordneten ersten Zeile des
nächsten Halbbildes umgeschaltet wird. Dieses Problem ist in
dem Stand der Technik aber schon gelöst und entsprechende
Schaltungen sind verfügbar. Aber auch progressive
Bildabtastung kann mit dem erfindungsgemäßen Bildaufnehmer
einfach realisiert werden, wie zuvor erläutert.
Das Taktsignal für das Schieberegister 16 ist in der Regel
von dem Taktsignal für die Rampensignalerzeugungseinheit 13
unterschiedlich. Es muß nämlich sichergestellt sein, daß
alle zwischengespeicherten Werte innerhalb eines
Rampensignalszyklusses auch ausgelesen sind und in den den
RAM-Speicher 30 übertragen wurden. Hierfür ist dann ein
schnellerer Takt erforderlich. Dies hängt davon ab, wieviel
lichtempfindliche Zellen 11 in einer Bildzeile angeordnet
sind und mit welcher Auflösung die A/D-Umwandlung
vorgenommen wird. Wenn z. B. bei einer 8-Bit-Auflösung mehr
als 256 Lichtsensoren in einer Bildzeile vorgesehen sind,
muß der Takt für das Schieberegister 16 eine höhere Frequenz
aufweisen als der Umsetzungstakt. Wenn z. B. 1024
Lichtsensoren in einer Bildzeile vorhanden sind, müßte der
Takt des Schieberegisters 16 bei einer Videokameraanwendung
1024 × 1/64 µs = 16 MHz betragen.
Vielfältige Abwandlungen des hier erläuterten
Ausführungsbeispiels sind möglich, die noch im Bereich der
Erfindung anzusehen sind.
In dem Ausführungsbeispiel wird jeweils der Momentanwert des
Rampensignals in einem Register abgespeichert. Unter dem
Begriff Register sollen auch andere Komponenten verstanden
werden, die den Momentanwert speichern können. Als Beispiel
wird ein parallel laufender Zähler genannt, der durch das
Ausgangssignal der lichtempfindlichen Zelle gestoppt wird
und so den Momentanwert ebenfalls zwischenspeichert.
Das in Fig. 5 gezeigte Rampensignal hat die Form einer
Treppe mit gleich großen Stufen. In einer Weiterbildung der
Erfindung kann das Rampensignal eine andere From haben. Z. B.
können die Treppenstufen variable Höhen haben. Wenn z. B.
eine 8-Bit-Auflösung gewünscht ist, könnten die ersten 127
Stufen mit einer bestimmten ersten Stufenhöhe ausgebildet
sein und die restlichen Stufen mit einer anderen Stufenhöhe
ausgebildet sein. Wenn die erste Stufenhöhe kleiner ist, als
die zweite Stufenhöhe, wird eine Adaption des
Umsetzverhaltens an das Verhalten des menschlichen Auges
einfach erreicht. Das menschliche Auge spricht nämlich
weniger empfindlich auf Helligkeitsänderungen an, wenn eine
gewisse Grundhelligkeit überschritten ist. Im unteren
Helligkeitsbereich wäre so eine feinere Auflösung erreicht.
Es kommen aber auch andere Bereichsaufteilungen in Frage.
Denkbar sind aber auch kontinuierliche Variationen der
Stufenhöhen, um z. B. ein logarithmisches Umsetzverhalten zu
erreichen.
Statt einer zeilenweisen Umsetzung der Analogwerte kann
alternativ eine spaltenweise Umsetzung einfach realisiert
werden. Hierzu muß dann statt des Zeilenselektors ein
entsprechender Spaltenselektor vorgesehen sein und die
Ausgänge der Lichtsensoren 11 zeilenweise zusammengefaßt
werden.
Mehrere Zeilen oder Spalten könnten weiterhin auch
zusammengefaßt ausgewertet werden, falls dies in einer
Anwendung erforderlich erscheint. Dann müßten entsprechend
mehrere Register in dem Registerblock vorgesehen sein und
auch das Schieberegister entsprechend vergrößert sein.
Prinzipiell wäre auch eine bildpunktweise Umsetzung der
Analogwerte möglich. Hier müßte dann entweder ein sehr
schnelles Rampensignal erzeugt werden jeweils für einen
Bildpunkt gültig und es bräuchte lediglich ein Register
vorgesehen werden, was aber dementsprechend schnell
ausgelesen werden müßte und die Ausgänge 19 der
lichtempfindlichen Zellen 11 müßten über einen Multiplexer
an den Steuereingang des Registers geschaltet werden können.
Eine andere Ausführungsform wäre, daß praktisch pro
lichtempfindlicher Zelle 11 jeweils separat ein Register
vorgesehen ist. Auch das wäre mit CMOS-Technologie machbar.
Hier müßte dann eventuell eine Reduzierung der Größe der
Bildpunktmatrix akzeptiert werden.
Claims (11)
1. Bildaufnehmer (10) mit einer Vielzahl von
lichtempfindlichen Elementen (11), mit integrierten
Mitteln (113, 14, 13) zur Umsetzung des in einem
lichtempfindlichen Element (11) gespeicherten
Analogwertes in einen Digitalwert, wobei pro
lichtempfindlichem Element (11) ein Komparator (113)
zugeordnet ist, dem an einem Eingang der Analogwert
zugeführt ist und an dem anderen Eingang ein
Rampensignal, dadurch gekennzeichnet, daß der
Ausgang des Komparators (113) an einen
Triggereingang eines N-Bit-breiten Registers (14)
geführt ist, wobei N eine natürliche Zahl 2 ist,
und daß der Ausgangsimpuls des Komparators (113) das
Register (14) zur Zwischenspeicherung des
Momentanwertes des Rampensignals in digitaler Form
veranlaßt.
2. Bildaufnehmer (10) nach Anspruch 1, wobei die
lichtempfindlichen Elemente (11) matrixförmig
angeordnet sind und durch entsprechende Selektoren
(12) zeilen- oder spaltenweise addressierbar sind,
derart, daß die Umsetzung der in den
lichtempfindlichen Elementen (11) gespeicherten
Analogwerte zeilenweise oder spaltenweise erfolgt,
wobei so viele Register (14) parallel angeordnet
sind, wie lichtempfindliche Elemente (11) in einer
Zeile oder Spalte vorgesehen sind.
3. Bildaufnehmer nach Anspruch 1 oder 2, wobei das
Rampensignal zyklisch neu gestartet wird für die
Umsetzung der Analogwerte einer Zeile oder Spalte.
4. Bildaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
wobei das Rampensignal in Inkrementen stetig
ansteigt, von dem Wert Null bis zu einem Maximalwert
wobei die Anzahl Inkremente des Rampensignals einem
Wert entspricht, der durch die gewünschte
Bitauflösung für die A/D-Umsetzung bestimmt wird.
5. Bildaufnehmer nach Anspruch 4, wobei die
Signaländerung pro Inkrement des Rampensignals über
den ganzen Wertebereich konstant ist.
6. Bildaufnehmer nach Anspruch 4, wobei die
Signaländerung pro Inkrement des Rampensignals
variabel ist, insbesondere in einem ersten Bereich
des Wertebereichs kleiner als in einem zweiten
Bereich um eine Adaption des Umsetzverhaltens an das
Verhalten des menschlichen Auges zu erreichen.
7. Bildaufnehmer nach einem der Ansprüche 3 bis 6,
wobei ein Schieberegister (16) vorgesehen ist, in
das die Einträge der parallel angeordneten Register
(14) nach Beendigung eines Rampensignalzyklusses
kopiert werden.
8. Bildaufnehmer nach einem der Ansprüche 1-7, wobei
das Rampensignal in einem Zähler (131) mit
nachgeschaltetem D/A-Wandler (132) erzeugt wird.
9. Bildaufnehmer nach Anspruch 8, wobei der aktuelle
Zählerstand der Zählers (131) an die Eingänge
des/der Register (14) geführt ist.
10. Bildaufnehmer nach einem der Ansprüche 2-9, wobei
der Bildaufnehmer (10) für die Erzeugung von
Videobildern ausgelegt ist, wobei die Umsetzung der
in den lichtempfindlichen Elementen (11)
gespeicherten Analogwerte zeilenweise erfolgt und
der Zyklus des Rampensignals zu der Dauer einer
Videozeile korrespondiert.
11. Bildaufnehmer nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, wobei für die Realisierung des
Bildaufnehmers (10) die CMOS-Chip-Technologie
verwendet wird.
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102005027245A1 (de) * | 2005-06-13 | 2006-12-21 | Siemens Ag | Schaltkreisanordnung |
Families Citing this family (19)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2002054759A2 (en) * | 2000-12-28 | 2002-07-11 | Symagery Microsystems Inc. | Pixel cell architecture |
JP4663956B2 (ja) | 2002-12-25 | 2011-04-06 | 浜松ホトニクス株式会社 | 光検出装置 |
JP3970224B2 (ja) * | 2003-08-21 | 2007-09-05 | キヤノン株式会社 | 固体撮像装置 |
JP4053007B2 (ja) | 2004-01-09 | 2008-02-27 | シャープ株式会社 | 固体撮像素子およびその信号読み出し方法 |
KR100843194B1 (ko) | 2004-01-30 | 2008-07-02 | 삼성전자주식회사 | 램프신호 발생회로 |
US7129883B2 (en) | 2004-02-23 | 2006-10-31 | Sony Corporation | Method and apparatus for AD conversion, semiconductor device for detecting distribution of physical quantity, and electronic apparatus |
GB0412296D0 (en) | 2004-06-02 | 2004-07-07 | Council Cent Lab Res Councils | Imaging device |
EP1657910A1 (de) * | 2004-11-12 | 2006-05-17 | STMicroelectronics Limited | Bildsensor |
KR100699850B1 (ko) | 2005-06-23 | 2007-03-27 | 삼성전자주식회사 | 이득 특성을 자체적으로 보정하는 cmos 이미지 촬영장치 및 이에 구비되는 램프신호 발생기 |
JP4524652B2 (ja) * | 2005-07-06 | 2010-08-18 | ソニー株式会社 | Ad変換装置並びに半導体装置 |
GB2432065A (en) | 2005-11-01 | 2007-05-09 | Isis Innovation | Image sensor with comparator and logarithmic output |
EP1958045B1 (de) * | 2005-12-09 | 2018-07-18 | Thomson Licensing | System mit einem tragbaren drahtlosen grafischen Eingabegerät und einem Computergerät. |
US7652706B2 (en) * | 2006-02-15 | 2010-01-26 | Eastman Kodak Company | Pixel analog-to-digital converter using a ramped transfer gate clock |
US7382008B2 (en) * | 2006-05-02 | 2008-06-03 | Eastman Kodak Company | Ultra-small CMOS image sensor pixel using a photodiode potential technique |
JP2008011284A (ja) | 2006-06-30 | 2008-01-17 | Fujitsu Ltd | 画像処理回路、撮像回路および電子機器 |
KR100879386B1 (ko) | 2006-11-13 | 2009-01-20 | 삼성전자주식회사 | 씨모스 이미지 센서 및 그것을 포함하는 디지털 카메라그리고 씨모스 이미지 센서의 영상 신호 검출 방법 |
KR20080046484A (ko) * | 2006-11-22 | 2008-05-27 | 삼성전자주식회사 | 아날로그 디지털 변환방법 |
JP5269456B2 (ja) * | 2008-03-26 | 2013-08-21 | 株式会社東芝 | イメージセンサおよびその駆動方法 |
KR101605831B1 (ko) | 2009-08-24 | 2016-03-24 | 삼성전자주식회사 | 씨모스 이미지 센서 및 그것의 영상 신호 검출 방법 |
Family Cites Families (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6271785B1 (en) * | 1998-04-29 | 2001-08-07 | Texas Instruments Incorporated | CMOS imager with an A/D per pixel convertor |
-
1999
- 1999-12-09 DE DE19959539A patent/DE19959539A1/de not_active Withdrawn
-
2000
- 2000-11-27 EP EP00125894A patent/EP1107581A3/de not_active Withdrawn
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- 2000-12-08 JP JP2000374283A patent/JP2001203936A/ja active Pending
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102005027245A1 (de) * | 2005-06-13 | 2006-12-21 | Siemens Ag | Schaltkreisanordnung |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2001203936A (ja) | 2001-07-27 |
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CN1163059C (zh) | 2004-08-18 |
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